CN111062154A

CN111062154A - 一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法

Info

Publication number: CN111062154A
Application number: CN201911128809.1A
Authority: CN
Inventors: 聂相田; 许新勇; 谢晨龙; 许文杰
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2039-11-18
Also published as: CN111062154B

Abstract

本发明涉及流固耦合技术领域，具体涉及一种基于数据交换模型的南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，本发明根据南水北调工程某一渠段，分别建立目标渠段渠道结构的CSD模型以及目标渠段渠内流体的CFD模型，通过流固耦合数据交换模型将渠内流体的流场模拟、动网格技术折合成渠道面板上的施加荷载，并施加在南水北调的渠道上，对双向流固耦合求解。本方法的计算方法充分考虑了南水北调工程中水体对渠道结构的影响，也考虑了渠道形变所引起的流场变化，使水体力场与渠道基础结构承载能力紧密联系，为研究渠道结构损伤发展及变化的规律，以及该耦联系统结构的流固耦合作用机理与损伤破坏模式提供依据。

Description

一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法

技术领域

本发明属于流固耦合模拟技术领域，具体涉及一种南水北调工程渠系建筑物的流固耦合计算方法。

背景技术

南水北调中线工程是解决黄淮海地区水资源紧缺问题的关键性跨流域调水工程，自丹江口水库陶岔枢纽取水，中途穿越黄河，输送水至京津地区；南水北调中线工程总渠道长约1432km，沿途地质环境复杂，工程建设和运行中将涉及到众多的前沿性工程技术问题。

在南水北调中线工程中，渠道是主要的输水建筑物，但工程距离长，沿途跨越河流、公路、铁路等众多，需要建设渡槽、倒虹吸、暗涵等交叉建筑物。在一些渠道与典型建筑物的相结合部位，如渠道与渡槽、倒虹吸等结构的连接处，由于过水断面发生变化，水体流态、流速也均发生较大变化，出现水流流态紊乱、流速加快等现象。同时，作为大型调水工程，渠道的设计断面通常较宽，流量也较大，故单位体积的水体重量较重。当工程面临地震作用时，将会发生流动的水流与渠道衬砌面板、建筑物挡墙等结构的碰撞相互作用。而南水北调中线工程作为长距离的线性工程，不可避免将穿越高烈度抗震设防地区，传统的水利工程结构抗震设计一般不考虑这种流动水体与结构的相互作用，而仅仅是采用拟静力法，把水体质量纳入抗震计算中。中线工程水流流量大、水位深、流速快，地震作用发生时，水流流体与渠道等固体建筑物的相互影响不容忽视，主要体现在以下方面。

当渠道及建筑物结合部位承受地震作用时，结构与水体将在地震波作用下，左右、上下晃动，水流流体与渠道建筑物的面板时而脱离、时而碰撞；固体边界的变化将对水体的流态及分布产生影响，而当流体域发生变化后，将进一步影响结构所承受的流体荷载；形成了不同物理场之间的流-固相互耦合作用的现象。目前国内外针对流体-结构相互耦合进行计算的研究均有不同程度的优势和问题。针对南水北调工程的特点，对渠道及建筑物结合部位的水流与衬砌结构的流固双向耦合作用的研究方法尚存空白。

传统计算的做法是分别计算流体与固体的作用，在流体域计算中将固体域的边界设置为刚体，在固体域计算中流体域的作用通过简化的荷载形式进行施加。而南水北调工程中渠道与建筑物结合部位的地震动作用时，如前所述，将会产生水流流体与结构之间相互作用的影响，传统计算方法不能反映这一现象，无法满足工程抗震计算的实际需求。

发明内容

本发明针对南水北调工程特有的结构地震动仿真计算问题，本发明提供一种能够在南水北调工程地震动仿真计算中实现水体流体与渠道建筑物固体之间相互作用的数值仿真方法，该方法能够真实反映水流流体与结构固体之间的相互作用。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，包括以下步骤。

步骤1、通过商用软件ABAQUS，建立目标渠段渠道结构有限元数值仿真模型，对目标渠段渠道结构进行有限元网格划分，将目标渠段渠道结构划分为多个渠道结构单元网格；设置目标渠段结构的接触面区域，作为后期流固耦合计算需要进行数据交换的界面；设置渠道结构网格的单元类型、渠道结构各个部分的材料属性，建立目标渠段渠道结构的CSD(Computational Structural Dynamics)模型。

步骤2、同时通过商用软件Fluent，针对目标渠段渠内流体建立数值模型并进行网格划分，将渠内水体划分为多个渠内流体单元网格；根据目标渠段渠内流体的动态参数及范围对流体单元网格设置边界条件和初始条件参数，进行渠内流体域的流场模拟，建立目标渠段渠内流体CFD(Computational Fluid Dynamics)模型。

步骤3、建立流固耦合模型，包括以下过程。

(1)在完成目标渠段渠道结构CSD模型和目标渠段渠内流体CFD模型的基础上，建立目标渠段渠内流体与目标渠段渠道结构的流体域与固体域交界面，计算流体动力学和计算结构力学的数据交换在界面上完成，从而实现渠道结构单元网格与渠内流体单元网格的相互搜索；

(2)通过MPCCI软件平台的界面搜索，在界面位置上建立起渠内流体单元网格与渠道结构单元网格的联系；

(3)通过MPCCI软件平台，将CSD模型与CFD模型的界面联系，实现渠道结构与渠内流体的流固耦合计算分析。

步骤4、ABAQUS计算固体力学分析如下。

通过ABAQUS中建立的渠道结构数值模型，施加荷载、边界条件、材料参数，进行结构计算分析，将界面上网格模型各节点力和位移数据，交换给MPCCI平台。

步骤5、MPCCI的插值算法进行数据转换如下。

通过MPCCI平台的插值算法，对ABAQUS传输来的数据进行插值转化，并将转换后的数据，通过界面传递给Fluent中对应位置的节点。

步骤6、Fluent计算流体动力学分析如下。

Fluent在得到初始数据后，开始进行流体动力学的计算，在完成当前荷载步计算后，将计算所得的压力数据再次传递到界面上的节点，反馈到MPCCI，经数据插值转换后，传递给ABAQUS进行下一步分析，循环计算至荷载步完成。

上述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，步骤5中所述插值算法需要同时满足位移连续性条件和动力连续性条件，

a位移连续性条件：u_f＝u_s；

b动力连续性条件：σ_sn_s＝σ_fn_f；

式中：u_f、u_s分别表示流体和固体位移矢量；u_s分别表示结构与流体的柯西应力张量；σ_s、σ_f分别表述结构与流体的外法线方向矢量。

上述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，步骤2中还包括渠内流体网格划分完成后，检查渠内流体网格的质量，合格则进行流场模拟，不合格需重新划分网格直至合格。

上述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，所述插值算法包括shepard插值、映射函数插值和径向基函数插值方法的一种或几种。

上述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，步骤2中还可以采用ICEM网格划分软件对渠内流体进行网格划分。

上述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，步骤2中所述渠内流体单元网格为非结构化网格。

上述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，步骤2中所述边界条件包括进出口边界条件、壁面条件、内部单元区域以及内部表面边界；所述初始条件为某一渠段的进口流速和出口流速。

本发明的有益效果：

1、本发明的计算方法充分考虑了南水北调工程的渠道结构和典型建筑物中水流流体对渠道结构的影响，也考虑了渠道形变所引起的流场变化，使流体力场与渠道基础结构承载能力紧密联系，真正地实现了固体域和流体域之间相互作用、相互联系的流固耦合计算分析。为研究渠道结构损伤发展及变化的规律，以及该耦联系统结构的流固耦合作用机理与损伤破坏模式提供依据。

2、本发明的计算方法计算精度较高、流场细节展现丰富，有效保证了耦合界面信息交换时能量守恒和边界层网格质量有效控制等问题，大大提高了模拟精度。

3、本发明使用的计算流程物理概念清晰，计算过程简单，易于程序设计，便于处理复杂的流固耦合问题。

附图说明

图1为渠道结构网格划分流程图。

图2为渠内流体网格划分流程图。

图3为流固耦合计算过程示意图。

图4为南水北调流体与渠道流固耦合作用面示意图。

图5为渠系建筑物流固耦合示意图。

图6为渠道渐变段流固耦合及计算示意图。

图7为渠道与流体流固耦合计算示意图。

图中标号：1为地基、2为渠堤、3为流体、4为衬砌、5为流固耦合作用面、6为渠道渐变段边坡。

具体实施方式

南水北调工程中线某一渠段的模型图如图4-7所示，南水北调工程的渠道在运行过程中，渠内水体流体3在外部荷载下，会与渠道的渠堤2、衬砌4和渠道渐变段边坡6发生碰撞，在流体荷载及其他荷载作用下，渠道渠堤、衬砌和渐变段边坡6以及地基1会产生相应的结构变形，流体与渠道结构的作用面为流固耦合作用界面5，这种变形会对流体域的流体分布造成影响；当流体域流体分布发生改变时，同样影响渠道结构所受到的流体荷载。在不同情形下，不同物理场间的相互作用产生了不同的流固耦合问题。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：本实施例提供一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，针对南水北调工程渠内水流对渠道结构的影响进行，南水北调的渠内流体与渠道结构之间的作用关系如图4-7所示，由图可以看出，南水北调工程中渠内流体在外部荷载下对渠道结构的碰撞主要是在渠底面板、两侧渠堤以及渠道的地基，其中流体与两侧渠堤和渠底面板的接触面为流体域固体耦合作用面，该流固耦合的计算方法整体流程如图1-3所示，由以下步骤实现。

步骤1、选取南水北调工程的中线某一渠段，通过商用软件ABAQUS(ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题)，建立目标渠段渠道结构有限元数值仿真模型，对目标渠段渠道结构进行有限元网格划分，将目标渠段渠道结构划分为多个渠道结构单元网格；设置目标渠段结构的接触面区域，作为后期流固耦合计算需要进行数据交换的界面；设置渠道结构网格的单元类型、渠道结构各个部分的材料属性，建立目标渠段渠道结构CSD模型，其建立流程如图1所示。

建立目标渠段渠道结构CSD模型时，需要依托南水北调中线某段实际工程为背景，根据渠道材料属性进行划分区域，分为以下几个部分：混凝土衬砌板、沥青混凝土路面、浆砌石护坡、砂石垫层、土基等几个部分，根据相关材料的参数进行赋予，如弹性模量、密度、泊松比、抗拉强度等。该渠段渠道结构的各项参数见表1。

表1南水北调渠道结构各项参数

步骤2、同时通过商用软件Fluent对该渠段的渠内流体建立数值模型并进行网格划分，将渠内流体划分为多个流体单元网格，并对网格质量进行检查；若网格合格则对流体单元网格的进出口边界条件(压力、速度、质量、进风口)、壁面条件(糙率、粘滞系数)、内部单元区域、内部表面边界的参数以及该渠段的进口流速、出口流速的参数进行设置，采用网格重构动网格技术进行流场模拟，建立该渠段渠内流体的CFD模型；其中若网格划分不合格则需要重新划分直至网格合格才能进行，考虑到流体计算与固体计算的差异性，所有渠内流体的网格均采用非结构化网格，如图2所示。

本实施例选取的南水北调中线某渠段的渠道进口水位为141.83m，出口水位为141.67m，采用的是1985高程，共将渠内流体划分为1668638个单元网格；该渠段的入口流速为1.42m/s、出口流速为1.12m/s，渠内水流的糙率为0.014、粘滞系数为0.01，水体的密度为1000kg/m³，整体受重力影响，其重力加速度g＝9.8N/m³。

步骤3、在完成目标渠段渠道结构CSD模型和目标渠段渠内流体CFD模型的基础上，建立该渠段渠内流体与渠道结构的数据交界面，便于渠道结构的单元网格和渠内流体的单元网格能够互相搜索，对数据交界面处的流体网格单元和渠道网格单元进行分类，使每一个流体单元网格与相对应的渠道单元网格建立联系，如图3所示。

步骤4、通过ABAQUS中建立的渠道结构数值模型，施加荷载、边界条件、材料参数，进行结构计算分析，将界面上网格模型各节点力和位移的数据交换给MPCCI平台。

步骤5、通过MPCCI平台的插值算法，对ABAQUS传输来的数据进行插值转化，并将转换后的数据通过界面传递给Fluent中对应位置的节点，Fluent在得到初始数据后，开始进行流体动力学的计算，在完成当前荷载步计算后，将计算所得的压力数据再次传递到界面上的节点，反馈到MPCCI，经数据插值转换后，传递给ABAQUS进行下一步分析，完成流体单元网格与渠道单元网格的实时数据的双向交换，循环计算至荷载步完成。

本实施例针对该目标渠段设置的耦合时间间隔为0.02s，计算时长为10s；本实施例所用插值算法为shepard法，除此之外还可以选用映射插值法和径向基函数；所用的插值算法需要同时满足位移连续性条件和动力连续性条件。

a位移连续性条件：u_f＝u_s；

b动力连续性条件：σ_sn_s＝σ_fn_f；

双向流固耦合计算方法进行求解，将渠道结构与渠内流体视为整体的耦联系统结构，把水流的水体力场与渠道的固定基础结构承载能力紧密联系起来，研究渠道结构损伤发展及变化的规律。

通过本发明的流固耦合方法，可以计算出南水北调工程某渠段中渠内水流的变化，通过耦合将渠内水流的实时数据进行转化并施加在渠道结构上，可以得到渠道水位的增加或者流体的波动情况对渠道结构的影响；根据耦合计算输出的结果，可以分析得到在不同状态下渠道是否能够安全运行以及是否存在风险等。同时根据分析还可以得知渠道结构在运行中可能发生破坏及造成的危害程度和范围，对南水北调渠道运行的高风险渠段进行分区划分，明确渠道运行的安全等级；还可以对运行存在问题的渠段进行重点监测，防止出现流土、管涌等破坏。

通过对该目标渠段的实时计算，并根据计算结果对性渠道运行期安全性进行了综合评价，提出适应的渠段的运行安全监测、险情预防与应急抢险措施方案，确保渠段安全运行的方案。

(1)自动化监测系统要运行可靠，不定时对系统的正常、稳定工作进行检查。

(2)保证退水闸在任何情况下的灵活机动运行，防止应急情况出现后不能及时运用。

(3)运行期出现渠道渗水，可采取相应的渗控工程措施。

(4)人工巡视、指挥制度要完善，能够和视频监控系统良好的结合进行高填方渠段运行的监测。

(5)运行期一旦出现险情，立刻启动应急预案，进入工程应急抢险状态。

该声明的计算方法通过研究南水北调高填方渠道运行期高风险度，在南水北调建立了渠道渗流数值计算的模型，研究了高填方渠道待运行期和运行期的安全性，总结了南水北调高填方渠道运行管理调度措施，为南水北调高填方渠道的运行管理、巡查和调度组织管理提供可参考的依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、通过商用软件ABAQUS，建立目标渠段渠道结构有限元数值仿真模型，对目标渠段渠道结构进行有限元网格划分，将目标渠段渠道结构划分为多个渠道结构单元网格；设置目标渠段结构的接触面区域，作为后期流固耦合计算需要进行数据交换的界面；设置渠道结构网格的单元类型、渠道结构各个部分的材料属性，建立目标渠段渠道结构CSD模型；

步骤2、同时通过商用软件Fluent，针对目标渠段渠内流体建立数值模型并进行网格划分，将目标渠段渠内水体划分为多个渠内流体单元网格；根据目标渠段渠内流体的动态参数及范围对流体单元网格设置边界条件和初始条件参数，进行渠内流体域的流场模拟，建立目标渠段渠内流体CFD模型；

步骤3、建立流固耦合模型，包括：

(3)通过MPCCI软件平台，将CSD模型与CFD模型进行界面联系，实现渠道结构与渠内流体的流固耦合计算分析；

步骤4、ABAQUS计算固体力学分析：通过ABAQUS中建立的渠道结构数值模型，施加荷载、边界条件、材料参数，进行结构计算分析，将界面上网格模型各节点力和位移的数据交换给MPCCI平台；

步骤5、MPCCI的插值算法进行数据转换：通过MPCCI平台的插值算法，对ABAQUS传输来的数据进行插值转化，并将转换后的数据通过界面传递给Fluent中对应位置的节点；

步骤6、Fluent计算流体动力学分析：Fluent在得到初始数据后，开始进行流体动力学的计算，在完成当前荷载步计算后，将计算所得的压力数据再次传递到界面上的节点，反馈到MPCCI，经数据插值转换后，传递给ABAQUS进行下一步分析，循环计算至荷载步完成。

2.根据权利要求1所述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，其特征在于：步骤5中所述插值算法需要同时满足位移连续性条件和动力连续性条件，

a位移连续性条件：u_f＝u_s

b动力连续性条件：σ_sn_s＝σ_fn_f

3.根据权利要求1所述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，其特征在于：步骤2中还包括目标渠段渠内流体网格划分完成后，检查渠内流体网格的质量，合格则进行流场模拟，不合格需重新划分网格直至合格。

4.根据权利要求1所述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，其特征在于：步骤5中所述插值算法包括shepard插值、映射函数插值和径向基函数插值方法的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，其特征在于：步骤2中采用ICEM网格划分软件对目标渠段渠内流体进行网格划分。

6.根据权利要求1所述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，其特征在于：步骤2中所述渠内流体单元网格为非结构化网格。

7.根据权利要求1所述的一种南水北调渠系建筑物流固耦合计算方法，其特征在于：步骤2中所述边界条件包括进出口边界条件、壁面条件、内部单元区域以及内部表面边界；所述初始条件为某一渠段的进口流速和出口流速。